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Noviembre 2013 nº14 Revista semestral de la Asociación Red de Centros de Investigación Cooperativa del País Vasco Juan Ignacio Cirac físico cuántico, entrevistado por José María Pitarke Evaluación y financiación de la ciencia Mesa de ideas con Nekane Balluerka, Enrique Castellón, Javier Echeverria y Félix Goñi. Modera: José M Mato Proyectos de investigación ENTORNO CIC ElCerebro a examen Artículos de Óscar Marín y Javier de Felipe Editorial de Carlos Matute Contenidos EN PORTADA: Metáfora acerca de la complejidad que representa el cerebro para la investigación. Editorial 04 Diálogos científicos 06 Divulgación 14 Investigación hoy 24 Entorno cic 35 Científicos ilustres 70 Carlos Matute escribe sobre Neurociencia global. El director de CIC nanogune, José María Pitarke, entrevista a Juan Ignacio Cirac, una de las grandes referencias internacionales de la física cuántica. José Miguel Mulet escribe sobre la controversia de los transgénicos en el artículo Biotecnología verde: revoluciones y generaciones. Pilar Perla escribe sobre el valor de la divulgación científica en el artículo Los siete mares de la investigación. Javier de Felipe, profesor de investigación del Instituto Cajal (CSIC), Análisis del cerebro: innovación tecnológica y estrategia interdisciplinar. Óscar Marín, profesor de investigación en el Instituto de Neurociencias de Alicante (CSIC), Construyendo el cerebro, Build it and you understand it! Eduardo Anitua, Gorka Orive y Roberto Prado (BTI), Potencial del Plasma Rico en Factores de Crecimiento en la terapia con células madre. Nerea Casado, Guiomar Hernández, David Mecerreyes (POLYMAT) y Michel Armand (CIC energigune), Polímeros innovadores para almacenamiento de energía. Jokin Lozares (UPV/EHU), Zigor Azpilgain (Mondragon Unibertsitatea), Iñaki Hurtado (UPV/EHU), Tixoconformado de aceros. Carmen Sánchez, investigadora ad-honorem de CONICET (Argentina): El operón lactosa desde La Mesada: mi experiencia con Jacob y Monod Editorial consejo editorial Aurkene Alzua Eduardo Anitua Pedro Miguel Etxenike Jesús María Goiri Félix M. Goñi Joseba Jaureguizar Luis Liz Marzán Xabier de Maidagan Manuel Martín-Lomas José María Pitarke Ana Zubiaga director José M Mato colaboran Neurociencia global Carlos Matute es director científico del Achucarro Basque Center for Neuroscience. Este año que termina está jalonado por hitos científicos y nuevas expectativas que anticipan una nueva era en la investigación del cerebro. Hace unos meses la Unión Europea aprobó el lanzamiento del Human Brain Project (HBP) que ha movilizado unos recursos económicos y humanos sin precedentes en nuestro continente. Con una dotación aproximada de millones de euros y la participación de 87 instituciones de 15 países, el HBP pretende establecer un modelo computacional del cerebro humano que permita emular las funciones cerebrales, estudiar sus características, así como entender las causas de las enfermedades neurológicas favoreciendo su diagnóstico temprano, cuando todavía se pueden tratar con mayor eficacia. En su concepción y gestión participa Javier de Felipe, investigador del Instituto Cajal en Madrid, y que contribuye a este número de CIC Network con el artículo Análisis del cerebro: Innovación tecnológica y estrategia interdisciplinar (página 24). Esta iniciativa es de una envergadura similar a la que en su día fue el proyecto Genoma Humano, e integra las disciplinas más diversas: desde la neurobiología y la generación de modelos matemáticos y de simulación, hasta el desarrollo de nuevo software y supercomputadores. A su vez, la administración Obama en EE.UU. ha dado su réplica al HBP con el programa BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies) liderado por Rafael Yuste, científico español afincado en la Universidad Columbia de Nueva York. BRAIN aspira a componer el mapa de toda la actividad cerebral en los próximos 15 años. Ambos proyectos surgen de la necesidad de introducir nuevos elementos tecnológicos en el estudio del sistema nervioso, y de la urgencia de integrar la gran cantidad de información generada para dar forma al rompecabezas descomunal que constituyen las millones de neuronas y el casi billón de células gliales que integran el cerebro humano. Los avances en ambas iniciativas servirán para avanzar en la comprensión de las enfermedades que afectan a este órgano como la esquizofrenia, la epilepsia, el Alzheimer y el Parkinson, por mencionar algunas de las más complejas y prevalentes. El lanzamiento de estas iniciativas surge en un momento en el que se han producido grandes avances en el terreno neurocientífico. Hace varias semanas la revista Nature publicó un estudio en el que se han desarrollado técnicas para fabricar minicerebros humanos en el laboratorio. Este hallazgo es crucial puesto que la mayor parte de la investigación sobre el cerebro humano se basa en estudios en cultivos celulares y en el uso racional de la experimentación animal. En estos paradigmas se averigua el funcionamiento normal del cerebro y se modelan las enfermedades neurológicas y psiquiátricas. Aunque la validez y utilidad de esta forma de investigar el cerebro humano sano y enfermo es incuestionable, no es obvia la traslación de la información generada al desarrollo de nuevos tratamientos con claro beneficio clínico. Por eso, es decisivo investigar con tejido nervioso humano, cuestión que hasta ahora se viene realizando con muestras de autopsias o desechadas tras intervenciones neuroquirúrgicas. El nuevo descubrimiento permite generar cerebroides humanos a partir de células madre (troncales) pluripotentes inducidas mediante reprogramación de células adultas de la piel de individuos sanos o de pacientes. La estructura tridimensional de estos cerebroides reproduce muchos de los parámetros arquitectónicos del cerebro, permitiendo el estudio del desarrollo del mismo y de los trastornos del neurodesarrollo, que constituyen un grupo de enfermedades raras sin curación en la actualidad. Es previsible que en breve se generen en el laboratorio minicerebros humanos que modelen todas y cada una de las enfermedades neurológicas y psiquiátricas. El alcance de estos avances cambiará por completo el panorama terapéutico en la próxima década. Son buenas noticias para los pacientes y sus familias, que llegan en un momento en que las grandes empresas farmacéuticas estaban cerrando sus departamentos de desarrollo de nuevos medicamentos para el tra- tamiento de las enfermedades del cerebro, por ser este órgano demasiado complejo y suponer un reto demasiado arriesgado para la actividad empresarial. La posibilidad de trabajar con minicerebros humanos ha tirado por tierra este prejuicio y está reorientando la actividad investigadora del sector privado. Así, no es casual que la gigante Novartis y otras compañías multinacionales líderes del sector farmacéutico, acaben de anunciar la apertura de nuevas líneas de investigación que se basan en parte en los avances de la genética y el uso de la tecnología de las células troncales. Pretenden de esta manera estudiar el cerebro y sus enfermedades de una manera menos reduccionista, al margen de la investigación clásica sobre los neurotransmisores, y concentrándose en el análisis de los circuitos neurales que causan las enfermedades. Es decir, en lugar de focalizarse en el mensajero (transmisor), estudiar las disfunciones de la red comunicante. En este ambiente de neuro-optimismo generalizado, las neurociencias también han sido reconocidas con la concesión del Premio Nobel de Fisiología y Medicina 2013 que ha sido concedido a la terna de investigadores compuesta por J. Rothman, R. Schekman y T. Südhof por sus descubrimientos de la maquinaria que regula el tráfico vesicular, un sistema de transporte crucial para las células. En particular, dos de los galardonados, Rothman y Südhof, han sentado la bases para la compresión de la biología molecular que rige los procesos de liberación vesicular de los neurotransmisores, las señales que comunican las neuronas entre sí y con las células gliales que las rodean. De esta manera han identificado numerosas moléculas clave para este proceso de señalización, y que constituyen dianas terapéuticas para distintas enfermedades, incluido el autismo. Estas noticias no hacen sino poner de manifiesto el vigor de la investigación en neurociencias y su importancia biomédica y social. Así pues, el reto en Euskadi es consolidar la estructura investigadora en este ámbito, que ya goza de buena salud, y engancharla al tren internacional, que va a toda máquina. La definición de la estrategia de investigación para la especialización inteligente (RIS3) y el nuevo programa europeo Horizonte 2020 serán ocasiones para materializar un salto cualitativo en la internacionalización de la neurociencia vasca. Carlos Matute José Miguel Mulet Pilar Perla Javier de Felipe Óscar Marín Nekane Balluerka Enrique Castellón Javier Echeverría Félix Goni Eduardo Anitua, Gorka Orive, Roberto Prado. Nerea Casado, Guiomar Hernández, David Mecerreyes, Michel Armand. Jokin Lozares, Zigor Azpilgain, Iñaki Hurtado. Carmen Sánchez de Rivas redacción y coordinación Guk diseño y maquetación Nu Comunicación reportaje fotográfico Xabier Aramburu edita cic Network Asoc. Red de Centros de Investigación Cooperativa del País Vasco Parque Tecnológico de Bizkaia, Ed Derio (Bizkaia) reserva publicidad depósito legal ss Esta revista no se hace responsable de las opiniones emitidas por sus colaboradores. Queda prohibida la reproducción total o parcial de los textos y elementos gráficos aquí publicados. El ordenador cuántico tendrá aplicaciones que no podemos ni imaginar Entrevista al físico cuántico Juan Ignacio Cirac, por José María Pitarke. Diálogos científicos Juan Ignacio Cirac (Manresa, 1965) estudió física y se doctoró en Óptica Cuántica en 1991 en la Universidad Complutense de Madrid. Combinó su trabajo en la Universidad de Castilla-La Mancha ( ) con estancias en Estados Unidos y, en ese periodo, publicó el famoso artículo Trapped ions o Iones atrapados. En 1996 se fue a la Universidad de Innsbruck con su colega Peter Zoller. Desde 2001 trabaja en el Instituto Max Plank de Óptica Cuántica de Garching (Alemania), donde actualmente Juan Ignacio Cirac, (Manresa, 1965), es doctor en física por la Universidad Complutense de Madrid, reconocido por sus investigaciones en computación cuántica y óptica cuántica. Es director de la División Teórica del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica, en Garching (Alemania). José María Pitarke, es doctor en física por la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), catedrático en esta misma Universidad y director del Centro de Investigación Cooperativa en Nanociencias, CIC nanogune. es director de la División de Teoría. Cirac ha recibido un buen número de premios y reconocimientos a su labor científica, entre otros el Premio Felix Kuschenitz de la Academia Austríaca de las Ciencias (2001), el Premio de Electrónica Cuántica de la Fundación Europea para la Ciencia (2005), el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica (2006), el Premio Nacional de Investigación Blas Cabrera (2007), el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento (2008), y la medalla Franklin en Física del Instituto Franklin (2010) junto con David Wineland y Peter Zoller. En octubre de 2013 visitó San Sebastián para impartir una conferencia en el festival Passion for Knowledge Quantum 13 y nos hizo un hueco, un domingo por la tarde, para charlar sobre ciencia en CIC Network. El año pasado el Premio Nobel se lo llevaron Serge Haroche y David Wineland, personas que han contribuido de forma importante a la computación cuántica. El Nobel es, por lo tanto, una batalla perdida para usted? El Nobel nunca ha estado a la vista, así que no hay ningún problema. Aún así, creo que más adelante va a haber más premios en este ámbito. A Haroche y Wineland se lo dieron por hacer lo que se llama el single atom o single particle, inventar físicamente una partícula y ver que se pueden crear superposiciones con varios fotones. No obstante, si se logra construir un ordenador cuántico, con toda seguridad le darán un Premio Nobel a esa construcción. 7 Diálogos científicos - Juan Ignacio Cirac Diálogos científicos - Juan Ignacio Cirac Me gustaría hablar sobre el computador clásico versus computador cuántico. Al computador cuántico se le llama así porque se diseña en base a cierto comportamiento de la materia que predice y describe la física cuántica. Lo que acabo de decir se aplica exactamente igual a lo que llamamos ordenador clásico, y eso puede provocar confusión en la sociedad ya que la gente podría pensar que unos son física cuántica y otros no... Sí, lo que pasa es que están basados en diferentes leyes de la física cuántica. En los ordenadores clásicos, igual que en cualquier sistema electrónico, los conductores y semiconductores explotan ciertas propiedades cuánticas; pero hay otras propiedades cuánticas que son mucho más difíciles de observar y de dominar. Son propiedades que hasta hace poco se tenían por algo muy misterioso, la parte más misteriosa de la física cuántica. En este sentido, un ordenador cuántico intenta explotar la parte más misteriosa de la física cuántica para hacer algo que los ordenadores que utilizan la parte no tan misteriosa de la física cuántica no pueden hacer. Si se logra construir un ordenador cuántico, con toda seguridad le darán un Premio Nobel a esa construcción No sólo misteriosa sino repudiada Es una parte de la física cuántica en la que muchos, entre ellos alguno de los artífices de la misma, no creían. Sí. La razón es que cuando surgió la física cuántica no había experimentos que fueran capaces de testearlo. Ahora, desde hace 20 o 30 años, somos capaces de hacer experimentos que permiten verificar esa parte de la teoría cuántica. Me gustaría profundizar en esos experimentos. Podría hablar de la paradoja Einstein-Podolsky- Rosen (EPR), el teorema de Bell y el experimento de Aspect? Porque todo eso es central en el desarrollo de la computación cuántica La física cuántica fue haciéndose ad hoc. Se planteaba una teoría que explicara los resultados de un experimento: si esta ley fuera cierta, este experimento se podría explicar, decían. Una vez acumulada cierta experiencia, Schrödinger y Heisenberg intentaron resumirlo todo y establecer unas leyes a partir de las cuales se pudiese derivar todo lo demás. Ésa es la Física Cuántica, la cual surgió en los años 20. Permitía que todos los experimentos se pudieran explicar a partir de esas leyes; pero había un precio muy grande a pagar: el principio de superposición. Si uno se creía esa teoría y la tomaba en serio, quería decir que en la naturaleza puede haber objetos cuyas propiedades no están definidas; o, dicho de otra forma, que pueden tener una propiedad tomando dos valores a la vez, que es lo que llamamos superposición cuántica. Hubo quien se tomó esto como un fallo de la física cuántica, afirmando que era una teoría provisional que debería ser completada y mejorada. Uno de los más famosos fue Albert Einstein. Es decir, que Bohr y Heisenberg defendían la postura de así es la vida, mientras que Einstein, Schrödinger, Planck y otros se resistían a reconocer que, en definitiva, así es la vida. Exactamente. Así comenzaron con la búsqueda de paradojas. Decían: si estas leyes fuesen verdad ocurriría esto, y esto es tan ridículo que no puede ser cierto. Einstein escribió el famoso artículo llamado EPR, con el que quiso mostrar una contradicción dentro de la física cuántica, pero enseguida fue contestado. Schrödinger, por su parte, planteó la famosa paradoja del gato: Si la física cuántica existe en el mundo microscópico, también tiene que existir en el mundo macroscópico y, por lo tanto, podríamos tener un gato que tenga dos propiedades a la vez, que esté vivo y muerto al mismo tiempo. Todo parecía más filosófico que físico porque la física cuántica dice que cuando existe una superposición, cuando las propiedades de un objeto no están definidas, al observar esas propiedades quedan bien definidas. Por lo tanto, la pregunta es: cómo podemos demostrar que existe una superposición si cuando observo deja de existir? Es decir, si cuando hago una medida no habrá superposición? Mucha gente dijo que esto era imposible hasta que llegó John Bell, en el año 1964, que de una manera muy inteligente dijo: si juntamos el hecho de que la física cuántica predice la existencia de superposiciones con el hecho de que las señales no pueden ir más rápido que la velocidad de la luz, es decir, que dos personas que estén muy lejos tardan tiempo en comunicarse, entonces podremos diseñar un experimento que nos indique si realmente existen estas superposiciones o no. Y diseñó un experimento mental (gedanken); pero por aquella época no se le prestó ninguna atención. Al cabo de algún tiempo, a principios de los años 70, se empezaron a hacer algunos experimentos, pero eran bastante sucios y la gente no se los creía mucho; hasta que llegó Aspect en Este joven estudiante de doctorado obtuvo unos resultados que, claramente, negaban la ausencia de superposiciones. Es decir, el experimento de Aspect no era compatible con una visión realista de la naturaleza; el experimento de Aspect nos indicaba que las propiedades de los objetos no están definidas. A partir de ahí se repitieron mucho este tipo de experimentos con distintos sistemas fotones, átomos, moléculas-, ya que todo esto es algo que tiene un gran impacto en nuestra visión de la naturaleza. Todo el mundo está acostumbrado a que, como decía Schrödinger, cuando no miro, la luna todavía está allí. La física cuántica decía que no, que a lo mejor no está en un punto concreto, sino que está deslocalizada, que está en muchos sitios a la vez. La gente empezó a pensar que ésta es una propiedad curiosísima de la física cuántica y que había que explotarla para hacer algo extraordinario. La explotación de ese fenómeno de superposición de la física cuántica es lo que dio lugar a la idea de la computación cuántica. Cuándo se empieza a trabajar en este tema? Si uno indaga en la literatura, se da cuenta de que el primero que empezó a hablar seriamente de la computación cuántica, aunque no lo llamó así, fue Richard Feynman. Feynman escribió un artículo en el año 1981 que se titula algo así como Simulando física cuántica con sistemas cuánticos, en el que propone un ordenador cuántico. Este artículo pasó completamente desapercibido; parecía una de sus salidas de tono, pero esto cambia en Entonces, a Peter Schor, un informático que había estudiado física cuántica como asignatura de libre elección, le enviaron un artículo para que lo revisase. En este artículo proponían resolver un problema académico, sin ninguna utilidad, con un ordenador cuántico. Se dio cuenta de que, si existiese ese ordenador cuántico, se podría resolver un problema mucho más importante: el problema de la factorización. Entonces, cuando usted propuso junto con Peter Zoller una potencial implementación de esa computación cuántica con iones atrapados, dio en el clavo! Un ordenador cuántico intenta explotar la parte más misteriosa de la física cuántica Claro! Peter Schor no había enviado aún su artículo para publicar pero lo había repartido, entre otros, a Artur Ekert, que era un físico que trabajaba en teorías de variables ocultas, desigualdades de Bell, etc. Ekert impartió una conferencia en Boulder (Colorado) en el verano de 1994, y presentó el algoritmo de Schor; yo estaba en la audiencia junto a Peter Zoller. Lo que dijo
